Зашто су свемирске летелице опремљене процесорима из 20. века

Изненађујуће је, али модерне свемирске летелице опремљене су застарелим процесорима који су развијени још у 20. веку. У овом чланку ћемо вам рећи шта је разлог оваквог стања ствари.

Свемирски бродови су права чуда технологије, опремљени свим врстама електронике. Наравно, ово укључује и процесоре, захваљујући којима опрема може да изврши веома сложене прорачуне. Међутим, чипови који се користе у развоју НАСА-е и других свемирских агенција често могу изгледати као застарели уређаји који су одавно ван производње.

Када говоримо о процесору, блокови наших десктоп рачунара вероватно одмах падају на памет. Многи чипови су утицали на технолошку индустрију. Тренутно су већ развијени моћни суперкомпјутери са огромном рачунарском снагом. Било би логично користити сличну опрему у тако сложеној технолошкој области као што је истраживање свемира. Слетање на Месец или лансирање и маневрисање свемирске сонде на удаљености од милион километара од наше планете свакако захтева велику рачунарску снагу. Испоставило се да то није баш тако и многи од вас ће вероватно бити изненађени колико је мало потребно за контролу, рецимо, свемирске станице. Иначе, нови ровер Персеверанце, који је недавно успешно слетео на Црвену планету, базиран је на процесору РАД750, који је специјална верзија ПоверПЦ 750 - срца иМац Г3 рачунара који је изашао пре више од 20 година. . А хеликоптер Ингенуити, који такође тренутно ради на Марсу, опремљен је процесором Снапдрагон 801. Ове летелице, обављајући најсложеније рачунарске операције, раде на таквим „обичним“ или чак застарелим микропроцесорима. Али мало је вероватно да ће се ово стање променити чак ни у будућности. Хајде да сазнамо зашто су научници у НАСА-и и другим свемирским агенцијама приморани да користе тако слабе СоЦ.

Прочитајте такође: Тераформирање Марса: Може ли се Црвена планета претворити у нову Земљу?

Свемирски процесори су изненађујуће спори

Почнимо са примером који би свима требао бити добро познат. Говоримо о догађају који се догодио 16. јула 1969. године. На данашњи дан, у оквиру мисије Аполо 11, ракета-носач СА-506 извукла је свемирски брод Аполо из Земљине атмосфере. А 4 дана касније, амерички астронаути Баз Олдрин и Нил Армстронг први пут у историји човечанства ступили су на површину Месеца. Мисија је успешно спроведена уз помоћ АГЦ-а (Аполло Гуиданце Цомпутер), развијеног давне 1966. године. Дизајн је био прилично занимљив са становишта рачунарске технологије, али гледајући техничке карактеристике овог уређаја, може се само изненадити да је мисија уопште успела. Замислите само, чип на плочи је радио са фреквенцијом такта од само 2,048 МХз и имао је РАМ од само 2048 речи. Да, управо те речи. Односно, сада изгледа једноставно невероватно, али у то време то је био један од најмодернијих рачунара.

Вреди напоменути да је кућни рачунар нудио сличне перформансе Apple ИИ, пуштен неколико година касније. Другим речима, у то време летелица је имала техничку опрему која је била испред свог времена.

Међутим, овакво стање је трајало до одређене тачке, брзо је постало јасно да ефикаснији уређај није нужно најбоље решење, а понекад може бити и опаснији. Прекретница у историји свемирске електронике било је одређивање тачних вредности космичког зрачења и његовог утицаја на технологију. Али како зрачење утиче на сам процесор?

Када је свемирска летелица Гемини, опремљена једноставним компјутером на броду, лансирана у свемир, технологије које су коришћене за његово стварање биле су, од данас, крајње примитивне. Међутим, у свемиру се показало да је то велика предност.

У данашње време при креирању нових процесора користе се савременији технолошки процеси, сада се лако могу купити, практично, микроскопски процесори направљени литографијом од 7нм. Што је чип мањи, потребно је мање напона да би се укључио и искључио. У свемиру то може изазвати озбиљне проблеме. Чињеница је да под утицајем честица зрачења постоји могућност непланираног пребацивања стања у којем ће се налазити транзистор. Ово, заузврат, може довести до тога да потоњи престане да ради у најнеочекиванијем тренутку, или ће прорачуни извршени помоћу таквог процесора бити нетачни. А у свемиру је то неприхватљиво и може довести до трагичних последица.

Интересантан пример је, на пример, процесор Интел 386СКС (срезана верзија Интел 80386), који је контролисао такозвану стаклену кабину. Радио је брзином од око 20 МХз, што значи да је могао да обавља задатке при 20 циклуса у секунди. Већ у време свог дебија у свемирској конструкцији, чип није имао нарочито велику брзину, али што је још важније, захваљујући ниској фреквенцији такта, процесор је био безбедан.

Када су изложене зрачењу, његове честице могу оштетити податке ускладиштене у кеш меморији процесора. Ово је могуће у веома кратком временском периоду - ниско тајминг га значајно смањује, што значи да су бржа кола више изложена зрачењу. Једноставно речено, зрачење може на крају утицати на складиштење података и оштетити сам процесор. Ово је неприхватљиво у условима рада свемирске станице, лансирне ракете или сонде. Нико неће ризиковати пројекат вредан милион долара.

Прочитајте такође: Шта нас може спречити да колонизујемо Марс?

Деструктивно зрачење

Својевремено је утицај зрачења компензован променама у самом производном процесу, на пример, коришћени су материјали као што је галијум арсенид. Међутим, свака модификација је била веома скупа. Поред тога, системи за свемирска возила се стварају у специјализованим фабрикама у малим количинама. Само коришћење РХБД технологије омогућило је коришћење стандардног ЦМОС процеса у производњи микро кола отпорних на зрачење. Такође су коришћене технике као што је трострука редундантност, која омогућава да се три идентичне копије истог бита чувају у сваком тренутку. Када су потребни, бира се најбољи.

Деструктивни ефекти радијације на системе свемирских летелица некада су изазвали неуспех руске мисије Фобос-Грунт. Чип ВС512К32В20Г24М, дизајниран за војне авионе, оштећен је тешким јонима космичких зрака. Прекомерна струја је оштетила рачунар и он је прешао у безбедан режим. Због проблема у комуникацији поновно покретање није било могуће, што је довело до уласка сонде у атмосферу и њеног сагоревања.

Због тога се за пројекте са дугим веком трајања користе заиста издржљиви блокови. На пример, Хуббле телескоп је првобитно био опремљен 8-битном Роцквелл Аутонетицс ДФ-224 јединицом са фреквенцијом такта од 1,25 МХз. Убрзо је постало јасно да је ово лоша идеја и НАСА је морала да прође кроз процес замене чипа Интеловим. Године 1993. телескоп је прилагођен да подржи Интел 386, а током сервисне мисије 3А 1999. године, пар чипова ДФ-224 и Интел 386 замењен је Интел 486 чипом.

Овде смо већ навели пример свемирске станице. Чини се да тако велика и сложена структура треба да има веома ефикасан систем. Међутим, то није случај. Познато је да главни рачунар на Међународној свемирској станици (МСС) ради на већ поменутом блоку Интел 386. У основи се користе два комплета од три рачунара – један руски и један амерички. Хајде да погледамо и много новију летелицу Нев Хоризонс, која је 2015. пролетела поред Плутона и циљала Кајперов појас. Чип Монгоосе-В отпоран на зрачење са фреквенцијом такта од 15 МХз, способан да обавља задатке брзином од 40 циклуса у секунди, био је одговоран за већину функција у овом уређају. Његове перформансе су блиске перформансама процесора на коме ради конзола PlayStation.

Када погледамо чак и веома модерне свемирске летелице, видимо да дизајнери користе решења која су често стара неколико деценија. Недавно је цео свет посматрао слетање ровера Цуросити на Марс. Мало ко би претпоставио да се унутра налази БАЕ РАД750 процесор са тактом од само 200 МХз, побољшана верзија ИБМ ПоверПЦ 750 чипа. Ако сте икада поседовали рачунар Apple, можда познајете овај процесор из иМац серије. Штавише, користио је и мање ефикасан микропроцесор са Нинтендо Вии конзоле. У вези са захтевима рада у условима повећаног зрачења, његова тактна фреквенција је смањена за више од три пута.

Већ смо поменули да ровер Персеверанце такође ради на процесору који је објављен пре више од 20 година. Другим речима, ништа се није променило, а свемирске летелице које коштају милионе долара користе микропроцесоре који су објављени у прошлом веку. Како год звучало, али је истина.

Прочитајте такође: Простор на вашем рачунару. 5 најбољих астрономских апликација

Софтвер и рачунари који покрећу Црев Драгон, Фалцон и Старлинк

Одлучили смо да детаљније сазнамо шта се користи као софтвер, на примеру чувених Црев Драгон, Фалцон и Старлинк.

Када чујемо име свемирске летелице Црев Драгон, многи људи мисле на три екрана осетљива на додир и плави контролни интерфејс који смо видели током емитовања. Још увек постоји много дебата о изводљивости контроле летелице помоћу екрана осетљивог на додир уместо дугмади, прекидача и џојстика. СпацеКс изабрали су ову опцију јер им је циљ био да пројектују брод на такав начин да не захтева никакву контролу и да, у исто време, посада увек има приступ што већем броју информација. Брод је потпуно аутономан, а једина ствар коју астронаути морају да контролишу је ограничена на унутрашње системе кабине, као што је јачина звука аудио система. Контролу лета брода и његових најважнијих система од стране астронаута требало би да врше само у хитним случајевима, а СпацеКс је покушао да уз помоћ самих астронаута развије најбољи графички интерфејс за ове задатке.

Међутим, треба напоменути да се кључне функције брода могу контролисати помоћу тастера који се налазе испод дисплеја. Посада има могућност да покрене систем за гашење пожара, отвори падобране при поновном уласку у атмосферу, прекине лет до ИСС-а, започне хитно спуштање са орбите, ресетује рачунаре на броду и изврши друге ванредне задатке. Полуга испод средњег екрана омогућава астронаутима да покрену систем за евакуацију. Такође имају дугмад која покрећу и поништавају команде унете помоћу екрана. На тај начин, ако астронаут изврши команду на екрану и она не успе, он и даље има могућност да откаже команду притиском на дугме испод екрана. Јасноћа и управљивост дисплеја такође су тестирани у условима вибрација, а тестни тимови и астронаути су извели бројне тестове у рукавицама и запечаћеним свемирским оделима.

Вероватно најважнији захтев за систем управљања ракетама и бродовима је, наравно, поузданост. У случају ракета СпацеКс, то је обезбеђено, пре свега, редундантношћу система, односно употребом неколико идентичних компоненти које раде заједно и могу да се дуплирају и допуњују. Конкретно, Фалцон 9 има укупно три одвојена компјутера на броду. Сваки од ових рачунара чита податке са сензора и система ракете, врши потребне прорачуне, доноси одлуке о даљим акцијама и генерише команде за доношење тих одлука. Сва три рачунара су међусобно повезана, а добијени резултати се упоређују и анализирају.

Рачунари су засновани на процесорима ПоверПЦ са два језгра. Опет, оба језгра врше исте прорачуне, упоређују их једно са другим и проверавају конзистентност. Дакле, док је хардверска редунданса трострука, софтверско-рачунарска редундантност је шестострука. Истовремено, можете вратити неисправан рачунар у радно стање, на пример, поновним покретањем. Ако главни рачунар поквари, један од преосталих рачунара преузима контролу.

У случају проблема са рачунарима или другим системима, судбина мисије зависи од одлуке Аутономног система за безбедност летења (АФСС). Ово је потпуно независан систем рачунара на броду који ради на сету од неколико микроконтролера (малих рачунара), прима исте податке од сензора, резултате прорачуна и команде од компјутера на броду и контролише безбедан ток лета.

Да би се осигурало да сви рачунари увек имају најпоузданије могуће податке, већина сензора је редундантна, као и рачунари који читају ове податке и затим их шаљу на рачунаре на возилу. На исти начин, компјутери који контролишу појединачне подсистеме ракета (мотори, кормила, маневарске млазнице итд.) се дуплирају командама рачунара на броду. Дакле, Фалцон 9 контролише цело дрво које се састоји од најмање 30 рачунара. На врху стабла су уграђени рачунари који управљају мрежом подређених рачунара. Сваки има свој комуникациони канал са сваким рачунаром на возилу посебно. Тако да му све екипе долазе по три пута.

Али као што видите, сви рачунари на возилу су засновани на једноставним микрочиповима, а не на софистицираним микроколама модерних суперкомпјутера.

Прочитајте такође: Универзум: Најнеобичнији свемирски објекти

Будућност свемирских чипова

Употреба релативно старих процесора не значи да се не стварају нови. Само што је процес њиховог стварања веома тежак и одузима доста времена. Такође треба разумети да свака структура која ће се користити у свемиру мора да испуњава захтеве класе МИЛ-СТД-883. То значи проћи више од 100 тестова које је развило Министарство одбране САД, укључујући термичке, механичке, електричне и друге тестове чипова. Већина процесора који су прошли овај тест направљени су само од централног дела силиконске плочице. То је зато што је овде најмање вероватно да ће се појавити дефекти ивица.

На листи пројеката будућих свемирских летелица налази се, између осталих, и ХПСЦ серија система коју је развила НАСА. Како се очекује, процесори би требало да буду спремни на прелазу 2023. и 2024. године. Њихове перформансе би требало да буду више од 100 пута веће од оних најбржих система који се тренутно користе у свемирским летелицама. Американци су фокусирани на развој чипова који могу помоћи у освајању Месеца и Марса. Али за сада су то само пројекти.

Европска свемирска агенција, која већ дуже време развија чипове засноване на архитектури отвореног кода СПАРК, има мало другачији приступ. Најновији такав производ је модел ГР740 из породице ЛЕОН4ФТ. Овај четворојезгарни процесор од 250 МХз, опремљен гигабитним мрежним адаптером и 2 МБ Л1000 кеш меморије, требало би да буде одговарајућа платформа за беспилотне летелице и сателите. Према прорачунима научника, дизајн и карактеристике процесора треба да гарантују његов нормалан рад и после 300 година. Научници гарантују да тек након 250 година рада чипа може доћи до бар једне грешке. Ово улива поверење у снагу и издржљивост свемирских летелица, јер ће лет до истог Марса трајати око 300-XNUMX дана, а ово је само згодна путања. Сонде понекад годинама лутају свемиром.

Као занимљивост, вреди напоменути да су 2017. године ХПЕ и НАСА лансирали први комерцијални рачунар високих перформанси на ракети СпацеКс Фалцон 9. Дуал-соцкет ХПЕ Аполло 40 сервер са Интел Броадвелл процесорима и брзим 56 Гбит/ интерфејс је стигао на Међународну свемирску станицу. Ако је веровати научницима, његов учинак је био само 1 ТФЛОПС, али је то ипак било много за свемирске услове.

Показује колико је тешко дизајнирати чипове за употребу ван наше планете и колико посла треба да се уради да би се достигли бар маинстреам процесори за кућне рачунаре.

Али научници улажу велике напоре да развију најмоћније микрочипове који не само да ће подржати рад свемирских летелица, већ ће бити и поуздано заштићени од свемирског зрачења и радијације. Можда ће квантни рачунари променити ситуацију, али то је друга прича.

Прочитајте такође:

• Може ли се тамна материја састојати од примордијалних црних рупа? Шта мисле астрофизичари?
• Марс је у контакту! О сложености свемирских комуникација
• О квантним рачунарима једноставним речима